DK174212B1 - Sammenhørende sæt af luftpumpe og turbinemotor - Google Patents

Description

DK 174212 B1

Den foreliggende opfindelse angår et sammenhørende sæt af luftpumpe og luftturbinemotor, som arbejder ved relativt lavt tryk og uden væsentlig kompression af luften, og hvor pumpens sugeside er forbundet med et luftindtag i pumpehuset, og hvor turbinemotoraggregatet er forbundet med nævnte luftindtag i en luftstrømbane, som strækker sig gennem turbinemotoren og 5 gennem husets indtag til pumpen, og hvor pumpen er en strømningspumpe med en tryk/strømningskarakteristlk, hvor tryk og strømning er i det væsentlige omvendt proportionale.

Fra US patent 4,554,702 kendes en turbinemotor, som drives af en fluidumstrøm ved hjælp af en pumpe. Motoren har et indløb og en turbine umiddelbart nedstrøms indløbet. Indløbet leder 10 fluidumet mod turbinens blade, således at turbinen roterer.

Ved en praktisk anvendelse af et sådant sammenhørende sæt af pumpe og turbinemotor udgøres pumpen af en sædvanlig husholdningsstøvsuger, og turbinemotoren driver eksempelvis en roterende rensebørste.

15

Som nævnt har pumpen en karakteristik, hvor tryk og strømning er i det væsentlige omvendt proportionale. Den maksimale udgangseffekt frembringes af pumpen ved en luftstrømsværdi, der ligger mellem de værdier, som opnås, når indtaget er fuldstændig lukket (ingen luftstrøm) og fuldstændig åbent (maksimal luftstrøm).

20

For i det sammenhørende sæt af pumpe og turbinemotor at drage nytte af pumpens maksimale udgangseffekt foreslås ved den foreliggende opfindelse, at turbinemotoraggregatet omfatter en del med begrænset tværsnit i den nævnte luftstrømbane ved indgangen til turbinemotoraggregatet, hvilken del har et tværsnit, som empirisk er valgt på en sådan måde i overensstemmelse 25 med den nævnte tryk/strømningskarakteristik, at pumpens arbejdspunkt er i det væsentlige det, ved hvilket maksimal udgangseffekt frembringes af pumpen. Man afstemmer altså turbinegeometrien efter pumpens tryk (strømningskarakteristik).

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor...

30 fig. 1 viser et skematisk perspektivbillede af et fluidummotordrev i form af et impulsturbine-vacuumbørsteapparat, der drives afen husholdningsstøvsuger, fig. 2 grafisk afbldning af afgangstryk som funktion af afgangsstrømningen for støvsugeren, fig. 3 grafisk afbildning af udgangseffekt som funktion af strømningen for støvsugeraggregatet, 35 fig. 4 grafisk afbildning af udgangseffekt som funktion af pumpestrømningsvejareal for støvsugeren, fig. 5 et skematisk perspektivbillede af impulsturbine-vacuumbørsteapparatet i fig. 1 i forstørret udgave, og 2 DK 174212 B1 fig. 6 et skematisk perspektivbillede af en impulsturbine af en type, der er forskellig fra den i fig. 5.

Idet der nu henvises til fig. 1, er der vist et eksempel på et fluiddrivsystem 10, som består af en 5 vacuumbørste 11, der drives med en luftstrøm, der frembringes af en støvsuger 12. Støvsugeren 12 er en helt sædvanlig enhed, som kan skiftes om mellem et opretstående gulvrenseappa-rat og den viste transportable enhed, hvor et frontdysehus (ikke vist) er fjernet. Støvsugeren 12 inkluderer en elektrisk motor 13 og et blæserhjul 14, som drives af motoren, der arbejder i et hus 16. Under drift trækker motoren 13 og blæserhjulet 14, idet de arbejder som en pumpe, luft 10 ind i et indtag 17 og udlader den gennem en udgang 18. En sædvanlig, fleksibel vacuumslange 19 er med den ene ende fbfbundet til indtaget 17 og med den anden ende til et rørformet håndtag 21 på vacuumbørsten 11. Denne vacuumbørste 11 inkluderer et impulsturbinemotordrev 22 (fig. 5) med en roterende børste 20 som sin belastning.

15 Det kan generelt vises analytisk, at en luftturbinemotor ved drift med luftstrøm, som frembringes af en sædvanlig støvsuger, som den der bruges ved husholdningsrengøring, er mest effektiv, når turbinehjulet er af impulstypen.

Et karakteristisk forhold mellem afgangstrykket ΔΡ og afgangsstrømningen Q fra støvsugeren 20 12 er vist i fig. 2. Trykket ΔΡ er trykforskellen mellem atmosfærisk tryk og trykket, som frem bringes af støvsugeren 12. Q er volumenstrømmen af luft (fx kubikfod pr. minut), der pumpes af støvsugeren 12. Som vist i fig. 2 er trykket ΔΡ og strømningen Q i støvsugeren 12 omvendt proportionale, dvs. tryk/flow-kurven i fig. 2 er monoton.

25 Fig. 3 viser udgangseffekten fra støvsugeren 12 som funktion af volumenstrømmen Q for luft, der pumpes af enheden. Udgangseffekt fra støvsugeren 12 er produktet af ΔΡ gange volumenstrømmen Q gennem pumpen. Undertrykket for luften i støvsugeren er fx af størrelsesordenen 33 tommer H2O, og som følge deraf kan luftstrømningen betragtes som inkompressibel.

30 Tryk som funktion af strømning og effekt som funktion af strømningssammenhængene, der er vist i fig. 2 og 3, såvel som en effekt som funktion af arealsammenhæng, der er vist i fig. 4 og diskuteret senere, kan eksperimentelt bestemmes ved at teste støvsugeren 12 med et standard ASTM overtrykskammer, der anvendes til at måle støvsugerydeevne. (ASTM Standard 1982,

Vol. 46F 431-79, Standard Performance Measurement Plenum Chamber for Vacuum Cleaners, 35 side 654-660; ASTM Standard 1982, Vol. 46F 558-78a, Standard Method for Measuring Air Performance Characteristics of Vacuum Cleaners, side 906-977.) Støvsugeren 12 er forbundet til overtrykskammeret via standard fleksibel slange 19, således at den målte karakteristik for støvsugeren 12 medregner tilstedeværelsen af denne slange. Et åbningsareal, som åbner tryk- DK 174212 B1 3 kammeret for slangen 19, bliver varieret i et tilstrækkeligt antal trin til frembringelse af data til nøjagtig plotning af kurverne i fig. 2-4. Overtrykskammerets åbningsarealer, der anvendes i ASTM overtrykskammeret, bliver konverteret til pumpestrømningsareal for støvsugeren 12 (bl.a. for abscisseværdierne i fig. 4) ved at multiplicere sådanne åbningsarealer med koefficienten 0,6 5 for at tage højde for vena sammentrækningsvirkninger, der er knyttet til de skarpe kanter på overtrykskammeråbningerne.

Betragtning af fig. 3 viser, at udgangseffekten fra støvsugeren 12 når et maksimum ved en mellemliggende volumenstrøm Q-j, dvs. ved en strømning, der er større end nul og mindre end 10 den maksimale volumenstrøm, der frembringes af støvsugeren. I dette arbejdspunkt Q·) bliver den kinetiske energi pr. tidsenhed i væskestrømmen, som frembringes af støvsugeren, maksimeret. I fig. 4, der er fundet eksperimentelt, er udgangseffekten fra støvsugeren 12 vist som en funktion af pumpestrømningsareal A (udledt fra data for ASTM overtrykskammeråbningsareal).

Arealet Α·| i fig. 4 repræsenterer det areal, som begrænser støvsugerens luftstrømning til Q-| 15 (dvs. volumenstrømmen ved maksimal udgangseffekt, som angivet i fig. 3).

Ifølge opfindelsen er turbinemotoren 22 for vacuumbørsten 11 tilpasset til tryk/strømnings-karakteristikkerne for støvsugeren 12 på en måde, hvorved støvsugeren begrænses til at arbejde under tryk- og strømningsforhold, som svarer til området med maksimal udgangseffekt fra 20 støvsugeren. Vacuumbørsteturbinemotoren 22 er specielt dimensioneret til at få støvsugeren 12 til at udvikle en volumenstrøm, som er lig med Q-j. Når støvsugeren 12 frembringer sin maksimale udgangseffekt, bliver effektforsyningen til turbinen 22 maksimeret.

Denne tilpasning eller tuning af vacuumbørsteturbinemotoren 22 udføres ved at bestemme et 25 effektivt samlet luftindgangsstrømningsvejareal Ae-|, som er lig med pumpens strømningsareal Ap> og opdimensionere Ag·) til et aktuelt samlet areal Aa-| for indgangsstrømningsvejen til turbinebladene 23. Det aktuelle turbineindgangsstrømningsvejareal bliver målt vinkelret på væskestrømningsretningen mod impulsturbinebladene 23. Under henvisning til fig. 5 inkluderer im-pulsturbinemotoren 22 en række stationære indgangsledevinger 24, der er symmetrisk anbragt i 30 et cirkulært mønster, som støder op til vejen for de roterende løbehjulblade 23. I dette tilfælde er det aktuelle samlede indgangsstrømningsareal Aai for turbinemotoren 22 summen af de individuelle passagearealer a-| (angivet i fig. 5) afgrænset af tilstødende par af indgangsle-devingeme 24. Ledevingerne 24 frembringer en ønsket strømningsretning for luften til rotorbladene 23.

Opdimensionering fra det effektive indgangsstrømningsareal Aq-j til det aktuelle areal Agi er nødvendig, når indgangen inkluderer ledeskovle, som ved udførelsen i fig. 5, eller når andre faktorer er til stede, som begrænser fri væskestrømning. Denne korrektionsfaktor er v1+KE , 35 4 DK 174212 B1 hvor konstanten Kg er en friktionskoefficient, som kan estimeres ved hjælp af analytiske metoder og/eller eksperimentelt.

Hvor indgangen ikke inkluderer nogen ledeskovle, og ingen andre strømningsbegrænsende 5 faktorer er til stede, kræves der ingen korrektionsfaktor, og Aai = = Ap.

Når effekten fra støvsugeren 12 som vist i fig. 4 ikke aftager væsentligt fra dens maksimale effekt ved moderate forøgelser i areal A ud ffa Ap, kan der ved dimensioneringen af det samlede strømningsvejareal for indgangen til turbinemotoren 22, anvendes et forøget aktuelt areal 10 Aa2, der er større end A^. Denne overdimensionering til Aa2 kan være ønskelig, hvor turbinemotoren trækker snavset luft ind, som i et vacuumbørsteapparat, og der er en risiko for, at indgangsarealet kan blive tilsmudset af nedbrudt materiale.

Eksempelvis har et fluidmotorsystem, der er repræsenteret i fig. 1-5, følgende omtrentlige 15 egenskaber: APmax = 34 tommer H2O Qmax = 90 cfm (kubikfod/min.)

Kg = 1,2 20 Aktuelt areal Aai = 0,58 kvadrattommer

Aktuelt areal Aa2 = 0,86 kvadrattommer

Idet der henvises til fig. 6, vises der skematisk en impulsturbinemotor 31, som adskiller sig fra den i fig. 5. Ved denne udførelse trænger luft ind i turbinen 32 langs en vej, der generelt er 25 tangential til turbinen, og i en retning generelt på tværs af rotationsaksen for turbine- eller skovl· hjulrotoren. Turbinemotoren 31 repræsenterer skematisk den fremlagte type enhed, som fx i US patent 4,305,176. Det samlede indgangsstrømningsareal dannes ved hjælp af en kanal, som skematisk repræsenteres ved 33. Kanalen 33 dirigerer eller leder luft, i almindelighed tangentielt, til skovlhjulrotoren 32 i en zone, som er en relativt lille del af rotorens periferi. Fig. 5 30 viser et simplificeret tilfælde, hvor indgangsstrømningsvejkanalen 33 er rektangulær, således at dens areal er produktet af dens bredde W gange dens højde H.

I henhold til den foreliggende opfindelse er dimensionerne for indgangskanalen 33, vinkelret på strømningsvejen, arrangeret til at frembringe et effektivt areal, som i det væsentlige er lig med 35 Ap, der er bestemt for støvsugeren 12. Når impulsturbinemotoren 31 har en karakteristisk effektkurve ligesom den der er vist i fig. 4, og motoren trækker snavset luft ind, kan det effektive, samlede areal, som bruges til indgangskanalen 33, være et areal Ae2, som svarer tii AD2 i fig. 4, og et sådant areal Ae2 bliver opdimensioneret med strømningskorrektionsfaktoren λ/1+κΕ , 5 DK 174212 B1 hvor det er passende, til et aktuelt samlet indgangsareal Aa2- Luft bliver udladet gennem støvsugeren 12 fra en udgang af turbinemotoren 31, der er vist skematisk ved 34.

Der er taget højde for, at en fabrikant, der anvender den foreliggende opfindelse, kan producere 5 et "universal" impulsturbineapparat til brug i forskellige vacuumbaserede apparater, hvert med omvendt afhængige, men forskellige tryk/strømningskarakteristikker. Motoren, indkapslingen, skovlhjulrotoren o.l. for turbinemotoren kan hovedsagelig være de samme, og kun indgangsstrømningsvejarealet behøver at blive ændret for at passe til et bestemt støvsugerapparat.

Arealet kan fastlægges på fabrikationstidspunktet eller kan blive indstillet af slutbrugeren ved 10 ombytning, ændring, justering eller anden modifikation af elementer i strømningsvejarealet.

De ovenfor beskrevne principper i opfindelsen kan anvendes i systemer, der arbejder over atmosfæretryk, såsom hvor en impulsturbine bliver drevet af overtryk.

15 Skønt der er vist og beskrevet foretrukne udførelser af denne opfindelse, må det forstås, at forskellige modifikationer og omordninger af delene kan udføres uden at afvige fra omfanget af opfindelsen som her fremlagt.

Claims (6)

6 DK 174212 B1

1. Sammenhørende sæt af luftpumpe og luftturbinemotor, som arbejder ved relativt lavt tryk og uden væsentlig kompression af luften, og hvor pumpens (14) sugeside er forbundet med et 5 luftindtag (17) i pumpehuset (16), og hvor turbinemotoraggregatet (11) er forbundet med nævnte luftindtag (17) i en luftstrømbane, som strækker sig gennem turbinemotoren og gennem husets indtag til pumpen, og hvor pumpen (14) er en strømningspumpe med en tryk/strømnings-karakteristik, hvor tryk og strømning er i det væsentlige omvendt proportionale, kendeteg-n e t ved, at turbinemotoraggregatet omfatter en del (24,33) med begrænset tværsnit i den 10 nævnte luftstrømbane ved indgangen til turbinemotoraggregatet, hvilken del har et tværsnit, som empirisk er valgt på en sådan måde i overensstemmelse med den nævnte tryk/strøm-ningskarakteristik, at pumpens (14) arbejdspunkt er i det væsentlige det, ved hvilket maksimal udgangseffekt frembringes af pumpen (14). 15

2. Sæt af pumpe og turbinemotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den nævnte del med begrænset tværsnit ligger foran turbinemotoraggregatets turbine i den nævnte strømningsbane.

3. Sæt af pumpe og turbinemotor ifølge krav 2, kendetegnet ved, at turbinemotoraggre-20 gatet har en aksialstrømsrotor, og at nævnte del af turbinemotoraggregatet med begrænset tværsnit omfatter et sæt af stationære vinger (24), der leder strømmen af luft til rotorens blade.

4. Sæt af pumpe og turbinemotor ifølge krav 2, kendetegnet ved, at turbinemotoraggregatet har en tangentialstrømsrotor, og at nævnte del af turbinemotoraggregatet med begrænset 25 tværsnit omfatter en indgangskanal (33), der retter en luftstrøm mod rotorbladene.

5. Sæt af pumpe og turbinemotor ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at turbinen er en impulsturbine. 30

6. Sæt af pumpe og turbinemotor ifølge krav 4, kendetegnet ved, at turbinemotoraggre gatet omfatter en enkelt strømningspassage til at lede luft tangentialt til en forholdsvis lille del af rotorperiferien.